Методика проектирования орбитальных и транспортных модулей с солнечными батареями большой мощности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.02, кандидат наук Ахмедов Муслим Ринатович

• Ахмедов Муслим Ринатович
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Ахмедов Муслим Ринатович

Введение

Глава 1 Анализ опыта разработки и эксплуатации системы электроснабжения модулей станции «Мир» и Международной космической станции и постановка задачи исследования

1.1 Анализ опыта разработки и эксплуатации систем электроснабжения модулей станций «Мир» и Международной космической станции

1.2 Постановка задачи исследования

Глава 2 Методика проектирования систем электроснабжения орбитальных станций и многоразовых электроракетных межорбитальных буксиров

2.1 Учет затенения солнечных батарей планетой и элементами космических аппаратов

2.1.1 Описание проблемы

2.1.2 Постановка задачи

2.1.3 Учет затенения планетой

2.1.4 Учет затенения солнечных батарей конструктивными элементами космических аппаратов

2.1.5 Краткое описание специального программного обеспечения

2.2 Вероятностный учет непропорционального снижения мощности солнечных батарей при частичном затенении

2.2.1 Описание проблемы

2.2.2 Постановка задачи

2.2.3 Математическая модель панели солнечной батареи

2.2.4 Моделирование работы панели при частичном освещении

2.2.5 Расчет наиболее вероятной мощности солнечной батареи

2.3 Влияние расстояния до Солнца на мощность солнечной батареи

2.4 Учет потерь энергии в буферных аккумуляторах

2.5 Анализ влияния температуры на мощность солнечной батареи

2.5.1 Описание проблемы

2.5.2 Связь температуры и мощности солнечной батареи

2.5.3 Влияние температуры на мощность солнечной батареи при стабилизированном напряжении питания

2.5.4 Влияние температуры на мощность солнечной батареи системы

электроснабжения с экстремальным регулятором

2.6 Учет влияния ионизирующих космических излучений

2.6.1 Описание проблемы

2.6.2 Методика расчета траектории межорбитального буксира

2.6.3 Методика расчета поглощенного излучения

2.6.4 Методика расчета деградации фотоэлектрических преобразователей

2.6.5 Объединение расчетов траектории, поглощенного излучения и деградации

2.6.6 Эмпирическая методика расчета

2.6.7 Результаты расчета

Глава 3 Применение методики при разработке научно-энергетического модуля российского сегмента Международной космической станции

3.1 Личный вклад

3.2 Основные требования к научно-энергетическому модулю и системе энергоснабжения

3.3 Выбор типа фотоэлектрических преобразователей

3.4 Выбор типа аккумуляторных батарей

3.5 Сравнение аккумуляторных батарей по техническим характеристикам

3.6 Технико-экономический анализ системы энергоснабжения на основе литий-ионных и никель-водородных аккумуляторных батарей

3.7 Сравнение эксплуатационных характеристик литий-ионных и никель-водородных аккумуляторных батарей

3.8 Определение производительности системы энергоснабжения научно-энергетического модуля с учетом требований теплового режима

3.9 Учет частичного затенения солнечных батарей

3.10 Проектный расчет освещенности интерьера научно-энергетического модуля

3.10.1 Описание проблемы

3.10.2 Расчет средней освещенности интерьера с учетом отражения

3.10.3 Расчет освещенности в точках интерьера с учетом отражения

Глава 4 Экспериментальное подтверждение методики расчета производительности солнечных батарей

4.1 Сравнительный анализ расчетной и экспериментальной производительности солнечных батарей служебного модуля российского сегмента Международной космической станции

4.1.1 Предмет и методика анализа

4.1.2 Экспериментальные данные

4.1.3 Расчетная модель

4.1.4 Сравнительный анализ моментального тока солнечной батареи

4.1.5 Сравнительный анализ интеграла тока солнечной батареи

4.2 Экспериментальное исследование влияния температуры на мощность солнечной батареи на примере солнечной батареи корабля «Прогресс МС»

4.2.1 Предмет и методика исследования

4.2.2 Принцип работы системы электропитания корабля «Прогресс МС»

4.2.3 Анализ телеметрии корабля «Прогресс МС-07» при выключенной секции СБ2 солнечной батареи

4.2.4 Анализ телеметрии корабля «Прогресс МС-07» при включенной

секции СБ2 солнечной батареи

Заключение

Список сокращений

Список литературы

Список публикаций

Благодарности

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методика проектирования орбитальных и транспортных модулей с солнечными батареями большой мощности»

Введение

Настоящая диссертационная работа выполнена в обеспечение создания орбитальных станций (комплексов) и электроракетных межорбитальных буксиров, представляемых важнейшими средствами исследования и освоения космического пространства в настоящее время и в перспективе. Разработана методика проектирования модулей орбитальных станций и многоразовых электроракетных буксиров с системой электроснабжения на основе солнечных батарей большой мощности с повышенными удельными характеристиками и ресурсом. Определены зависимости проектных параметров модулей и системы от условий эксплуатации и требований назначения, предложены, верифицированы и применены на практике методики расчета производительности системы, выработаны рекомендации по выбору оптимальных проектных решений.

Актуальность исследования обусловлена планами Российской Федерации по развитию пилотируемой космонавтики, представленными в «Основных положениях основ государственной политики РФ в области космической деятельности на период до 2030 года и дальнейшую перспективу» № Пр-906 (утверждены Президентом Российской Федерации 19 апреля 2013 г.) [40]. В развитие указанных положений Федеральное космическое агентство (Роскосмос) в 2015 году утвердило Концепцию российской пилотируемой космонавтики [22], а также Стратегию российской пилотируемой космонавтики на период до 2035 года [62].

Упомянутые документы предусматривают, в том числе, пилотируемые полеты в окололунное пространство и на Луну, развертывание и эксплуатацию на Луне постоянно действующей базы, расширение области и масштабов освоения ближнего космоса, создание и обслуживание межорбитальных буксиров, а также создание задела для пилотируемого полета на Марс. Необходимой составляющей данных планов является развитие орбитальных станций (ОС), зарекомендовавших себя незаменимыми платформами для

космических исследований и отработки техники и технологий в условиях космоса. Эффективным средством обеспечения грузопотока при освоении Луны могут являться многоразовые электроракетные межорбитальные буксиры (ЭМБ) - космические аппараты или комплексы с электроракетной маршевой двигательной установкой [1, 5, 23, 32, 44, 47, 64].

Электроснабжение - одна из ключевых проблем создания орбитальных станций и электроракетных межорбитальных буксиров. Функциональные возможности КА определяются характеристиками системы электроснабжения (СЭС), и требования к ее выходной мощности для крупных комплексов очень высоки.

Поиск эффективных источников энергии космического назначения не прекращается, однако на протяжении многих лет по совокупности качеств самыми эффективными в этой области остаются полупроводниковые солнечные батареи (СБ), которые демонстрируют постепенное, но уверенное улучшение характеристик (исключение пока составляют КА для исследования дальних планет). Фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), основной элемент СБ, со времени появления первых образцов стали значительно лучше: их КПД возрос с 5 до 30 %, стойкость к космическим условиям увеличилась, производство стало массовым.

Совершенство систем электроснабжения на основе СБ достигается применением современных компонентов только в совокупности с рациональными проектными решениями. В ходе проектирования СЭС, а также КА в целом должны быть выбраны электрическая схема, компоновка и количество элементов, алгоритм работы. СЭС на основе СБ насчитывает тысячи элементов, имеющих разброс параметров и работающих в неидентичных условиях. Сложные взаимные связи ограничивают каждый из них в возможности функционировать с предельной эффективностью, а используемые в настоящее время методики расчета нацелены преимущественно на совокупный, усредненный расчет. Поэтому важнейшая роль в создании КА, особенно оснащаемых СБ большой мощности, отводится расчету и

математическому моделированию, которые способны изыскать скрытые резервы системы, а также существенно снизить затраты на экспериментальную отработку.

Таким образом, представляется актуальной разработка методики проектирования и расчета модулей орбитальных станций и многоразовых электроракетных буксиров в части системы электроснабжения. Совершенствование СЭС востребовано и может быть достигнуто путем глубокого анализа физических процессов и учета факторов, поддающихся расчету с применением современной вычислительной техники.

Целью исследования является разработка методики проектирования и расчета модулей орбитальных станций (ОС) и многоразовых электроракетных межорбитальных буксиров (ЭМБ) с системой электроснабжения на основе солнечных батарей большой мощности с повышенным ресурсом и удельными характеристиками, а также выработка рекомендаций по определению оптимальных проектных решений с учетом:

- затенения СБ планетой и элементами КА;

- влияния ионизирующего излучения радиационных поясов Земли;

- изменения расстояния до Солнца;

- требований теплового режима;

- требований ресурса.

Научной задачей исследования является установление зависимости проектных параметров модулей ОС и ЭМБ с солнечными батареями большой мощности, имеющих связь с системой электроснабжения, от факторов космического пространства и требований назначения модуля, разработка и совершенствование методик расчета производительности системы, определение влияния проектных параметров модуля на удельные характеристики и ресурс системы, верификация методик путем космических экспериментов, постановка, проведение и анализ результатов космических экспериментов.

При исследовании поставлены и решены следующие основные задачи:

1. В порядке изучения существующего опыта выполнен анализ опыта разработки и эксплуатации СЭС станций «Мир» и МКС.

2. В ходе исследования работы СБ модулей при частичном затенении:

- предложены математическая модель и методика расчета мощности СБ при частичном затенении с учетом электрических процессов и выполнено исследование мощности СБ с учетом указанных условий;

- методика, реализованная в виде специального ПО, подтверждена экспериментально с использованием телеметрии служебного модуля (СМ) российского сегмента Международной космической станции (РС МКС);

- предложена методика вероятностного расчета мощности СБ при частичном затенении с учетом электрических процессов в СБ, применимая на этапе проектирования модулей при недостатке исходных данных.

3. В рамках исследования деградации СБ ЭМБ от ионизирующего излучения радиационных поясов Земли (РПЗ):

- предложена математическая модель процесса;

- предложена методика расчета мощности СБ ЭМБ с учетом деградации от излучений РПЗ и разработано соответствующее ПО;

- выполнен анализ деградации, выработаны рекомендации по ее снижению;

- предложены эмпирические формулы для проектного расчета мощности СБ ЭМБ с учетом деградации от ионизирующего излучения РПЗ.

4. В рамках исследования влияния температуры на мощность СБ:

- выполнено экспериментальное исследование с использованием телеметрических данных корабля «Прогресс МС»;

- предложены рекомендации по учету изменений температуры СБ при проектировании СЭС.

5. В порядке методического обеспечения проектной разработки модулей ОС и ЭМБ:

- исследовано, как влияет изменения расстояния до Солнца на производительность СЭС, предложена методика учета;

- предложены формулы для расчета средневитковых потерь энергии в буферных аккумуляторах;

- предложен способ учета требований теплового режима;

- предложена методика проектного расчета освещенности интерьера пилотируемого КА с учетом отражения света элементами интерьера.

6. В порядке практической реализации предложенные методики применены при проектировании научно-энергетического модуля для РС МКС.

Методика исследования. Методологически исследования основаны на математическом моделировании физических процессов с последующим экспериментальным подтверждением.

Научная новизна состоит в следующем:

1. При исследовании влияния частичного затенения на работу СБ:

- предложена методика вероятностного расчета мощности СБ при частичном затенении с учетом электрических процессов в СБ;

- выполнена верификация математической модели работы СБ при частичном затенении с использованием телеметрии служебного модуля РС МКС.

2. При исследовании деградации СБ ЭМБ от ионизирующего излучения

РПЗ:

- предложена оригинальная математическая модель для расчета деградации;

- впервые выполнен комплексный анализ деградации СБ МБ в РПЗ с учетом параметров траектории МБ и толщины защитного покрытия ФЭП;

- впервые выполнена оценка эффективности способов снижения деградации СБ МБ в РПЗ;

- впервые предложены эмпирические формулы для проектного расчета

деградации СБ МБ в РПЗ.

3. Предложены оригинальные методики учета требований теплового режима при расчете допустимой нагрузки на СЭС и проектного расчета освещенности интерьера ПКА с учетом отраженного света.

Теоретическая значимость работы в том, что определены характер и законы влияния затенения СБ планетой и конструктивными элементами КА, а также ионизирующего излучения РПЗ на мощность СЭС ОС и ЭМБ. Предложены методики расчета. Выполнена оценка эффективности способов снижения деградации СБ МБ от ионизирующего излучения РПЗ, выполнено экспериментальное подтверждение корректности методик.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

1. С использованием предложенных методик в РКК «Энергия» выпущен проект научно-энергетического модуля (НЭМ) для РС МКС.

2. На основе предложенной методики разработано ПО.

3. Выработаны практические рекомендации по выбору проектных параметров СЭС для ОС и ЭМБ.

Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечена непротиворечивостью исходных теоретических положений, внутренней логикой исследования, применением достоверных методов, описывающих сущность изучаемого явления и отвечающих поставленным целям и задачам диссертационной работы.

Апробация результатов работы. Разработанные в ходе исследования расчетные методики апробированы в РКК «Энергия» при проектировании научно-энергетического модуля (НЭМ) для российского сегмента МКС. Корректность методики расчета производительности СБ орбитального КА с учетом затенения планетой и элементами конструкции подтверждена экспериментально телеметрическими данными служебного модуля (СМ) российского сегмента МКС. Теоретические выводы о влиянии температуры на производительность СБ подтверждены экспериментально телеметрией космического корабля «Прогресс МС».

Основные положения и результаты работы опубликованы в шести статьях в рецензируемых научных журналах, входящих в рекомендованный ВАК Минобрнауки РФ перечень изданий (см. список публикаций), а также доложены на конференциях, семинарах и научно-техническом совете:

- конференция «XLI академические чтения по космонавтике», Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 24-27 января 2017 г.;

- конференция «Актуальные проблемы ракетно-космической техники -V Козловские чтения», г. Самара, 11-15 сентября 2017 г.;

- семинары по вопросам электроракетного движения, Москва, МАИ, институт двигателестроения, кафедра 208 «Электроракетные двигатели, энергетические и энергофизические установки», 17 января 2018 г. и 20 марта 2019 г.;

- заседание секции № 2 Пилотируемые космические комплексы и системы» научно-технического совета ПАО «РКК «Энергия», 4 декабря 2018 г.

Личный вклад:

1. В исследовании влияния частичного затенения на работу СБ:

- предложение математической модели работы СБ и методик расчета производительности;

- участие в разработке ПО для расчета производительности СБ орбитального КА (предложение расчетных формул, разработка технического задания, сопровождение разработки);

- верификация математической модели СБ и ПО с использованием телеметрии служебного модуля российского сегмента МКС;

- экспериментальное исследование зависимости мощности СБ от температуры с использованием телеметрии корабля «Прогресс МС».

2. В исследовании деградации СБ ЭМБ от ионизирующего излучения

РПЗ:

- разработка математической модели, методики расчета и ПО;

- комплексный анализ деградации СБ ЭМБ в РПЗ, анализ способов снижения деградации и оценка их эффективности;

- предложение эмпирических формул для проектного расчета.

3. В методическом обеспечении проектной разработки и в разработке СЭС научно-энергетического модуля (НЭМ) для РС МКС:

- участие в проектировании СЭС с выполнением расчетов производительности СБ;

- предложение методики расчета потерь энергии СБ КА на круговой орбите из-за затенения планетой при произвольных углах склонения Солнца;

- предложение методики расчета потерь энергии в буферных аккумуляторах орбитального КА с учетом неравномерности энергопотребления;

- предложение методики учета требований теплового режима при расчете допустимой нагрузки на СЭС;

- разработка методики и выполнение проектного расчета освещенности интерьера модуля с учетом отраженного света.

Соискатель является единоличным автором трех из шести опубликованных научных статей.

Положения, выносимые на защиту:

1. По исследованию влияния частичного затенения на работу СБ:

- методика расчета производительности СБ с учетом затенения и электрических процессов в СБ;

- верификация указанной методики с использованием телеметрии служебного модуля РС МКС;

- методика вероятностного расчета производительности СБ с учетом затенения и электрических процессов в СБ;

- экспериментальное исследование влияния температуры на мощность СБ с использованием телеметрии космического корабля «Прогресс МС»

2. По исследованию деградации СБ ЭМБ от ионизирующего излучения

РПЗ:

- математическая модель и методика расчета мощности СБ ЭМБ с учетом деградации от ионизирующего излучения РПЗ;

- анализ деградации и его результаты;

- проектная методика расчета мощности СБ ЭМБ с учетом ионизирующего излучения РПЗ.

3. Результаты применения предложенных методик при разработке НЭМ для РС МКС.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка сокращений, списка литературы и списка публикаций. В первой главе представлен анализ опыта разработки и эксплуатации СЭС станций «Мир» и МКС и выполнена постановка задачи исследования. Во второй главе предложена методика проектирования СЭС орбитальных станций и многоразовых электроракетных межорбитальных буксиров. В третьей приведены результаты использования методики при проектировании научно-энергетического модуля (НЭМ) разработки РКК «Энергия» для российского сегмента Международной космической станции (РС МКС). В четвертой главе приведен сравнительный анализ расчетной и экспериментальной производительности солнечных батарей орбитального космического аппарата на примере служебного модуля (СМ) российского сегмента МКС.

Глава 1 Анализ опыта разработки и эксплуатации

системы электроснабжения модулей станции «Мир» и Международной космической станции и постановка задачи исследования

1.1 Анализ опыта разработки и эксплуатации

систем электроснабжения модулей станций «Мир» и Международной космической станции

Каждая орбитальная станция - особая страница в летописи отечественной и мировой космонавтики. За всю историю их было тринадцать, что крайне мало в сравнении с общим количеством космических аппаратов (КА) (таблица 1.1) [25, 38].

Таблица 1.1 - Полный список орбитальных станций (на сентябрь 2018 г.)

Орбитальная станция Государство Дата запуска Дата спуска Количество экспедиций

«Салют»* СССР 19.04.1971 11.10.1971 2

«Салют-2» («Алмаз») СССР 03.04.1973 28.05.1973 —

«Космос-557» СССР 11.05.1973 22.05.1973 —

Бку1аЬ США 14.05.1973 11.07.1979 3

«Салют-3» («Алмаз») СССР 25.06.1974 24.01.1975 1

«Салют-4» СССР 26.12.1974 03.02.1977 2

«Салют-5» («Алмаз») СССР 22.06.1976 08.08.1977 2

«Салют-6» СССР 29.09.1977 29.07.1982 15

«Салют-7» СССР 19.04.1982 07.02.1991 10

«Мир» СССР, Россия 20.02.1986 23.03.2001 28

МКС ** 20.11.1998 — 82

«Тяньгун-1» Китай 29.09.2011 02.04.2018 2

«Тяньгун-2» Китай 15.09.2016 — 1

* Также считается, что первая, экспериментальная орбитальная станция была создана 16 января 1969 г. в результате стыковки космических кораблей «Союз-4» (космонавт В. Шаталов) и «Союз-5» (экипаж Б. Волынов, Е. Хрунов, А. Елисеев) ** Россия, США, Канада, Япония и государства Европейского космического агентства (ЕКА)

Опыт разработки и эксплуатации станций необычайно ценен, каждая из них создавалась после тщательного анализа недостатков предшественниц, вбирая лучшие, испытанные технические решения. В настоящее время проекты ОС, планетных баз и межпланетных пилотируемых комплексов предполагают широкое заимствование идей, конструкций, систем и устройств, апробированных на Международной космической станции (МКС). В свою очередь, ее российский сегмент (РС) использует многое от орбитального комплекса «Мир» - уникального и успешно функционировавшего технического сооружения. Создатели комплекса учли ошибки, обнаруженные при полетах станций «Салют», заложили и проверили в действии ключевые технические решения, настолько успешные и не теряющие актуальности, что в облике и устройстве даже перспективных станций и межпланетных комплексов неизменно угадываются черты комплекса «Мир». Теперь и его наследник, российский сегмент МКС уверенно рассматривается как основа для новой орбитальной станции [22, 37, 47, 62].

Отличительной чертой станции «Мир» и РС МКС являются постепенность развития, совмещение развертывания с целевым использованием, стремление наделить каждый модуль несколькими функциями, заранее предполагаемая возможность их замены, использование доступных ракет-носителей и нацеленность на большой срок эксплуатации комплекса в целом. Сформировавшаяся в нашей стране методология проектирования предполагает широкое и непосредственное заимствование проверенных технических решений. Выбор долговременных орбитальных станций как основного направления развития космонавтики, сделанный в Советском союзе еще в 1970-е годы, и методичное следование этому курсу теперь приносят свои плоды. Отечественные наработки в данной области можно считать лучшей основой для перспективных проектов пилотируемых комплексов, в том числе межпланетных. Это подтверждают, в частности, проекты китайских ОС: космонавтика Китая, несмотря на далеко идущие планы, сейчас, по сути, повторяет путь, пройденный в СССР в начале 1970-х

годов.

Особенность систем электроснабжения орбитальных станций - высокая выходная мощность, разнообразие и частая смена потребителей, широкий диапазон потребляемой мощности, высокие требования к ресурсу, безопасности и отказоустойчивости, высокая стоимость. В данной главе изложен опыт разработки и эксплуатации энергетических систем модулей орбитального комплекса «Мир», российского и американского сегментов МКС, а также, в небольшой степени, станций «Салют».

Система электропитания (СЭП) орбитальной станции «Салют» была создана в 1970-71 гг. на базе СЭП кораблей «Союз» но, в отличие от них, имела вдвое большую мощность и ресурс. Принципиальные проектные решения, лежащие в ее основе [20]:

- после стыковки кораблей «Союз» к ОС «Салют» их СЭП объединялись в единый энергокомплекс, при этом СБ кораблей подключались к СЭП орбитального блока, а буферные аккумуляторные батареи (АБ) кораблей консервировались в заряженном состоянии;

- АБ разделялись на буферные, постоянно работающие в режиме заряда и разряда чтобы компенсировать периоды затенения СБ Землей, и резервные, используемые только во время повышенного энергопотребления или во внештатных ситуациях;

- работу научной аппаратуры обеспечивала автономная подсистема электропитания со стабилизатором выходного напряжения;

- на станциях «Салют», «Салют-2» и «Салют-3» система ориентации СБ (СОСБ) не была предусмотрена, крепление СБ к орбитальному блоку и кораблям было жестким, направление СБ на Солнце обеспечивалось поворотом всей станции [20].

Система ориентации СБ была введена впервые на станции «Салют-4». Эксплуатация станции показала, что введение СОСБ повышает среднегодовую мощность СЭП на 30 %, в 2-3 раза увеличивает время на астрофизические и геофизические эксперименты, в 3-4 раза сокращает расход рабочего тела на

ориентацию ОС. Также было выявлено наличие критических элементов, отказ которых приводил к выходу из строя всей СЭП. В частности, подобные последствия имел отказ любого из 176 аккумуляторов [20].

Благодаря опыту, полученному при эксплуатации СЭП орбитальных блоков станций «Салют», а также в результате анализа устройства систем электроснабжения отечественных и зарубежных КА была создана высоконадежная и производительная, весьма совершенная система электропитания орбитального комплекса «Мир». К началу разработки (1976 г.) определился перечень ключевых требований [20]:

1) срок непрерывной работы 15 лет;

2) моментальная выходная мощность 50 кВт;

3) устойчивость к внешним воздействиям:

- термоциклирование в диапазоне температуры от минус 60 до +70 °С;

- радиационные воздействия;

- космическая пыль и микрометеороиды;

- циклические ударные и изгибные нагрузки на СБ и их приводы при динамических операциях коррекции орбиты, стыковке и отделении транспортных кораблей, ориентации орбитального комплекса, работе космонавтов и занятиях на тренажерах;

4) наличие неремонтопригодных частей (солнечные батареи и выходные элементы приводов);

5) резкие колебания электропотребления и разнообразный состав потребителей;

6) вынужденное использование элементов с малым ресурсом;

7) жесткие специальные требования по условиям эксплуатации аккумуляторных батарей;

8) необходимость плановой замены аппаратуры управления;

9) необходимость организации грузопотока с заменяемыми элементами;

10) периодическое наращивание и изменение состава энергокомплекса;

11) необходимость гибкой схемы разводки энергопотоков по модулям ОК и комплектам бортовой аппаратуры;

12) работа в условиях предельного использования энергомощности;

13) неизбежное снижение эффективности солнечных батарей и необходимость их замены и дополнения, связанная с большим объемом ремонтно-восстановительных работ;

14) необходимость постоянного поддержания определенного запаса электроэнергии на борту ОК для обеспечения операций по выходу из нештатных ситуаций при потере ориентации ОК.

Одной из ключевых проблем, которая препятствовала созданию новой СЭП, было отсутствие аккумуляторов с нужными характеристиками. Батареи, выпускаемые отечественной промышленностью, имели недостаточную удельную емкость, ресурс и надежность, чтобы изготовить на их основе систему электропитания по новым требованиям. Причем, как показали проведенные в НПО «Энергия» исследования, проблема не устранялась даже при повышении удельных характеристик аккумуляторов [20].

Для решения задачи было предложено придать энергокомплексу станции «Мир» модульную структуру, в которой отказ даже нескольких модулей не нарушал бы работы системы в целом, а все модули работали с одинаковой энергоотдачей. При работе они должны были проявлять такую согласованность действий, при которой вклады всех модулей автоматически выравниваются, и среди них нет как перегруженных, так и недогруженных. Подобный режим может быть обеспечен введением централизованного управления или, что гораздо надежнее, заложенным в каждый модуль типовым законом реагирования на изменение нагрузки. Во втором варианте режим работы каждого модуля меняется автоматически, без специального внешнего управления, а индивидуальное стремление каждого модуля подстроиться под общий режим автоматически ведет систему к достижению максимального КПД. При этом даже допустим некоторый разброс параметров модулей между собой.

В соответствии с такой концепцией была разработана система электропитания принципиально нового типа. Ее структура обеспечивала достаточное резервирование элементов, тестируемость и ремонтопригодность, стабильное выходное напряжение, наращиваемую конфигурацию и варьируемую схему распределения энергопотоков [20].

В базовом блоке станции «Мир» комплект АБ был разделен на 12 электрически независимых батарей (блоков 800А), подключенных к шинам СЭП через индивидуальные зарядно-разрядные устройства. СБ также были разделены на 12 электрически независимых генераторов тока, работавших через индивидуальные регуляторы тока. По модульному принципу были реализованы все приборы автоматического управления, регулирования и телеметрического контроля, все стабилизаторы напряжения и тока.

Устройством, которое реализовывало описанный выше принцип синергии модулей, для каждого генератора СБ стал регулятор тока (РТ), а для каждой АБ - зарядно-разрядное устройство (ЗРУ). ЗРУ включало в себя преобразователь тока (ПТАБ) и его блок управления (БУПТ). Объединяющей функцией регуляторов и преобразователей было поддержание напряжение на шинах СЭП в заданных пределах (номинальное значение 28,5 В, допустимые отклонения -десятые доли вольта).

Чтобы напряжение не падало ниже допустимого предела, РТ и ПТАБ, используя широтно-импульсную модуляцию (ШИМ), по мере необходимости открывали подачу тока в шину: сначала от генераторов солнечной батареи, затем, если этого не хватало, от аккумуляторов. Если какой-то из генераторов оказывался в тени, и напряжение на его выходе становилось слишком низким, регулятор выключал генератор из общей цепи, предохраняя от обратного тока. Если ток переставали давать значительное количество генераторов, напряжение поддерживали аккумуляторы. Когда нагрузка на СЭП была неполной, и напряжение на шине поднималось выше определенного значения, блоки ПТАБ опять подключали аккумуляторы, но теперь через них шел обратный ток, зарядный. Если аккумуляторы были заряжены и генераторы вырабатывали избыточную мощность, регуляторы тока, реагируя на дальнейшее повышение

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ахмедов Муслим Ринатович, 2019 год

источника

света

Рисунок 3.11 - К расчету освещенности прямыми лучами источника

По формуле (3.9.6), например, выполнен расчет освещенности обитаемой зоны МИМ1. На рисунке 3.12 показаны развертка зоны и уровни рассчитанной освещенности. Измерение освещенности в готовом изделии МИМ1 показало,

что в подавляющем большинстве точек она больше рассчитанной по формуле (3.9.6). Результаты сравнения представлены на рисунке 3.13, где на диаграмму упорядоченных значений рассчитанной освещенности нанесены данные измерений.

Рисунок 3.12 - Развертка интерьера МИМ1 и его освещенность прямыми лучами источников. Крупными цифрами обозначены основные зоны интерьера: 1 - потолок; 2 - левый борт; 3 - пол; 4 - правый борт (перевернуто); 5, 6 -сферические обечайки. Мелкими цифрами обозначена величина освещенности, лк.

Е

лк

Рисунок 3.13 - Сравнение расчетных и экспериментальных значений освещенности в контрольных точках интерьера МИМ1 (светлые столбики -результаты расчета, темные столбики - экспериментальные данные).

Несмотря на существенное различие, диаграмма измеренной

освещенности, как и расчетная, имеет тенденцию к возрастанию, что свидетельствует о корреляции между ними. Следовательно, освещенность в любой точке интерьера можно представить случайной величиной вида:

E = E(Eo )±AE(Eo), (3.9.7)

где E - ожидаемое среднее значение, АЕ - предельное отклонение. Обе величины зависят от освещенности прямыми лучами E0.

Предлагаемая методика позволяет найти интервал вероятных значений освещенности в любой точке проектируемого интерьера с учетом отраженного света, что вполне достаточно при проектировании модулей ПКК. Для этого используются эмпирические выражения функции E (E0) и AE(E0 ), полученные путем измерения освещенности других интерьеров.

Заметим, что одновременное ослабление яркости всех источников света в k раз, например, в результате снижения напряжения в электросети, ведет к пропорциональному уменьшению освещенности во всех точках интерьера. При этом столбики диаграммы на рисунке 3.13 станут в k раз ниже. Во столько же раз уменьшится и средняя освещенность интерьера E^. Следовательно,

выражение (3.9.7) можно применить и при ослабленном освещении, если преобразовать его к безразмерному виду:

S = S(So )+A^o) >

где s0 = E0jE^ - относительная освещенность прямыми лучами источников, s = E/Eср - ожидаемая относительная освещенность с учетом отраженного света, As = AE/E^ - относительное предельное отклонение освещенности.

Подбор эмпирических выражений для функций s(s0) и As(s0) позволит найти диапазон вероятных значений освещенности (Emin, Emax) и ожидаемую среднюю величину E в любой точке интерьера с учетом отраженного света:

E ■ = E S

min ср min

E = Ecp s (3.9.8)

E = E s

E max E ср smax

Где Бшп^-^ Бтх=Б+ЛБ .

Формулы (3.9.8) применимы не только в случае изменения яркости всех светильников, но и при пропорциональном увеличении размеров интерьера. Как следует из принципа подобия, увеличение размеров интерьера в т раз при сохранении мощности источников света приведет к уменьшению освещенности всех точек интерьера в т2 раз, однако картина освещенности в целом останется неизменной с точностью до общего множителя. Это значит, что функции б(б0) и Лб(б0), подобранные для одного интерьера, применимы и для другого, подобного по форме.

Наконец, обратим внимание, что даже если два интерьера несколько отличаются по форме, то функции б(б0) и Лб(б0), подобранные для одного из них, с приемлемой погрешностью применимы для другого. Это предположение, ключевое в данной методике, вероятно, может быть строго математически обосновано, но здесь приведем лишь следующее соображение, позволяющее его допустить.

Величина освещенности в любой точке складывается из двух составляющих - освещенности прямыми лучами источников и отраженным светом. Второе слагаемое можно представить как световое заполнение интерьера, которое тем более равномерно, чем равномернее распределены светильники и чем светлее поверхность интерьера. Таким образом, интерьеры, изготовленные из схожих материалов, с потолочным расположением светильников и малым количеством ниш, перегородок и прочих элементов, локализующих освещение, будут иметь не только близкие средние коэффициенты, но и световое заполнение с близкими статистическими характеристиками.

Найдем возможный вид функций б(б0) и Лб(б0), основываясь на результатах расчета и экспериментального измерения освещенности интерьера МИМ1. Каждой контрольной точке интерьера поставим в соответствие точку на координатной плоскости, абсцисса которой равна рассчитанной относительной освещенности б0, а ордината - измеренной освещенности б (рисунок 3.14).

2,5

2,0

1,5

1.0

0,5

0,0

'шах s(ec

/

/ -*min

ж

♦ ♦ /

/

/

♦ * /

♦ ♦

♦ V /

♦ /

/ ♦ /

/ ♦

/

• ♦ ♦ /

/ /

♦ /

У

у ♦ /

* ♦ ♦/

♦♦♦ /

аОо)

0,0

0,5

1.0

Рисунок 3.14 - Корреляция расчетных и экспериментальных значений

освещенности МИМ1

Положение точек на рисунке 3.14 свидетельствует о корреляции между расчетными и экспериментальными значениями освещенности: в целом, точки стремятся разместиться вдоль кривой ожидаемых средних значений Среди нескольких видов выражения для данной кривой выбрано линейное:

е(е0 )= Лб0 + В, (3.9.9)

где Л = 1,877, В = 0,512.

Трубка наиболее вероятных значений, обозначенная на рисунке 3.14 кривыми ет{п и етех, определяется среднеквадратичным отклонением (с.к.о.) а(£0). Полуширину трубки (предельное отклонение) считаем равным утроенному с.к.о.:

Лфо) = 3^о).

Наиболее подходящий вид функции а(£0) находим, анализируя отклонение измеренных значений освещенности от ожидаемого среднего. Если

на координатную плоскость нанести точки, абсцисса каждой из которых равна величине £0, а ордината - квадрату отклонения (в - в)2, то в качестве функции а2(е0) можно выбрать аппроксимирующую их кривую (рисунок 3.15).

(8-8)2

\ \

\ \ (Ар.)2

\ \ \

\ \ /

\ \ ш гг2

♦ < ♦ \ \ /

♦ ♦ Л ♦ \ \/

► 4 ♦ Г \ ч

| И ^ / / ♦ ♦

» ♦ ■ч—

0,0 0,5 1,0 8у

Ае = 3(7

Рисунок 3.15 - Квадраты отклонений измеренных значений освещенности от ожидаемого среднего

В данном случае для аппроксимации функции а2(б0) использовано выражение:

а2 (б0 ) = СвВе°, (3.9.10)

где С = 0,1175, Б = -2,712. Отсюда

Лб(Б0) = ЕерЁ0. (3.9.11)

где Е = 1,028, Я = -1,356.

При получении новых экспериментальных данных, например, при измерении освещенности в новых модулях, коэффициенты эмпирических формул (3.9.9) - (3.9.11) или сами формулы могут быть уточнены.

Предлагаемая методика применена при проектном расчете освещенности

НЭМ [30]. Вычислена средняя освещенность по формуле (3.9.4), для контрольных точек по формуле (3.9.6) найдена освещенность прямыми лучами источников, после чего с использованием эмпирических зависимостей (3.9.9), (3.9.11) и формулы (3.9.8) определен интервал вероятных значений с учетом отражения света. Результаты расчета представлены в таблице 3.7, а также на диаграмме контроля освещенности (рисунок 3.16).

Таблица 3.7 - Освещенность в расчетных точках НЭМ

* к т с о н х р е в о с е и н е ч а К Освещенность, лк

№ расчетной точки Требуемая, не менее * Прямыми лучами Диапазон вероятных значений с учетом отражения света поверхностями интерьера

% К Ео Е • ЕШ1П Е Е Ешах

1 А 40 55,4 146,8 211,1 275,5

2 А 40 29,8 88,9 169,9 250,9

3 С 30 32,6 78,4 93,1 107,7

4 С 30 17 45,8 68,1 90,3

5 Р 150 256,4 524,7 535,1 545,6

6 Р 150 137,6 313,1 343,7 374,3

7 Р 150 102,9 245,9 287,8 329,6

8 Р 150 135,7 309,5 340,6 371,7

9 Р 150 101,1 242,2 284,8 327,4

10 П 200 180,8 392,5 413,3 434

11 П 200 193,7 415,6 434 452,4

12 П 200 88,7 217,1 264,8 312,4

13 П 200 132,6 303,6 335,6 367,6

14 А 40 21,7 69,6 156,8 244

15 В 50 7,3 23,6 54,1 84,7

16 В 50 18,2 48,7 71,7 94,7

* В соответствии с ГОСТ Р 50804-95: Р -рабочий стол; П - приборная доска (щиток); А - место установки радио и специальной аппаратуры; В - вспомогательный отсек; С -ассенизационно-санитарное устройство, умывальная кабина, душ.

Освещенность

Е„

Е Ет

требуемая

\|/ X X

Освещенность, лк

Рисунок 3.16 - Диаграмма контроля освещенности НЭМ

Из таблицы 3.7 и диаграммы на рисунке 3.16 видно, что в подавляющем большинстве контрольных точек интерьера НЭМ освещенность удовлетворит требованиям ГОСТ Р 50804-95 даже с учетом вероятных отклонений от ожидаемого среднего. При проектной разработке интерьера НЭМ особое внимание было уделено точке 15, в которой средняя ожидаемая освещенность оказалась близка к норме, а значит, без специальных мер освещенность в этой точке удовлетворит требованиям лишь с пятидесятипроцентной вероятностью.

В связи со сложной формой обитаемая зона НЭМ при расчете рассматривалась частями - каждая как самостоятельный отсек с замкнутым интерьером, своими источниками света и своей величиной средней освещенности.

Таким образом, в результате проектной разработки НЭМ рассчитана производительность системы электроснабжения, оптимизированы ее параметры и состав. Принципиальной особенностью расчета является совместный учет периодического затенения солнечных батарей конструктивными элементами

станции, КПД аккумуляторных батарей, КПД аппаратуры регулирования и контроля, а также требований обеспечения теплового режима. Выбран состав СЭС, обеспечивающий наименьшие суммарные затраты на ее создание и эксплуатацию. Выполнен анализ вариантов на эффективность и техническую реализуемость. Показано, что технически возможно создание СЭС НЭМ, используя солнечные батареи с фотоэлектрическими преобразователями на основе арсенида галлия. На основании расчета сделан вывод о предпочтительности выборе никель-водородных аккумуляторных батарей, как обеспечивающих более высокую технико-экономическую эффективность системы в целом. Предложена и реализована при разработке НЭМ проектная методика расчета освещенности интерьера. Показана необходимость учета составляющей света, возникающей в результате отражения поверхностями интерьера, методика позволяет вычислить среднюю освещенность и вероятный интервал значений освещенности в точках интерьера с учетом отражения света элементами интерьера.

Глава 4

Экспериментальное подтверждение методики расчета производительности солнечных батарей

4.1 Сравнительный анализ расчетной и экспериментальной производительности солнечных батарей служебного модуля российского сегмента Международной космической станции

4.1.1 Предмет и методика анализа

В данном разделе представлен анализ корректности методики и ПО для расчета производительности СБ КА, описанных в главе 2. Анализ выполнен сравнением результатов расчета с экспериментальными данными, в качестве которых использована телеметрическая информация о состоянии СБ служебного модуля (СМ) российского сегмента МКС (рисунок 4.1).

Рисунок 4.1 - Международная космическая станция: СМ - служебный модуль «Звезда»; СО1 - стыковочный отсек «Пирс»; МИМ1 - малый исследовательский модуль № 1 «Рассвет»; МИМ2 - малый исследовательский модуль № 2 «Поиск»; ТПК - транспортный пилотируемый корабль «Союз-МС»; ТГК -транспортный грузовой корабль «Прогресс-МС»; ФГБ - функционально-грузо-

вой блок «Заря» (входит в АС МКС); АС МКС - американский сегмент МКС

Направление полета МКС и направление на Землю на рисунке 4.1 указаны для случая стабилизации станции в орбитальной системе координат.

Для определения корректности расчетов с применением ПО выполнен сравнительный анализ расчетных и экспериментальных графиков электрического тока СБ в течение орбитального витка. Анализ проведен для ряда значений угла склонения Солнца Ррасч. В данной работе представлены

результаты для Ррасч = 0, 30, 60°. С указанной целью выбраны даты второй

половины 2017 г., в которые орбита МКС имела угол Р = Ррасч, и по

телеметрической информации (ТМИ) на указанные даты построены графики, именуемые далее экспериментальными. Для получения расчетных графиков подготовлена геометрическая модель МКС, СМ и его СБ, соответствующая

углам Ррасч .

4.1.2 Экспериментальные данные

В качестве экспериментальных данных использована ТМИ служебного модуля РС МКС: мгновенный ток СБ и его интеграл, а также показания температурных датчиков, установленных на консолях СБ. Информация дискретна и представляет собой последовательность чисел-отсчетов с указанием времени измерения. Значения отсчетов также дискретны в связи с аналого-цифровым преобразованием сигнала датчиков. На рисунке 4.2 показан характерный график, построенный непосредственно по телеметрическим данным.

1сб, А 100

101 439 отсчетов

0

0

1сб, А

50

0

Т МИ о тсут ствуе т

/ : < ^

1

30

60 I, мин

1 400 отсчетов

—

/ —'

— —

* /

....... ш . —* ----- *

••

17

t, мин 120 отсчетов

16

1сб, А 50

40 30

17' 20" 21" 22" 23" 24" ^ мин, с

Рисунок 4.2 - Характерный вид графиков тока СБ, построенных непосредственно по ТМИ

Как видно на рисунке 4.2, в показаниях датчика тока СБ присутствует «шумовая» составляющая и пульсации, объясняемые электрическими наводками в кабелях, несовершенством измерительной системы, дискретным принципом измерений, наличием в электрической цепи переменной составляющей тока, образованием статического заряда на поверхности СБ и разрядами через окружающую атмосферу. Чтобы проследить закономерности, связанные со сравнительно медленно меняющейся светотеневой картиной на

панелях СБ, необходимо отфильтровать сигналы от указанных помех, для чего применен следующий цифровой фильтр [65]. Отфильтрованное значение параметра в момент времени г определяется как среднее арифметическое отсчетов, зарегистрированных в интервале времени от г -А до г + А (базе осреднения):

Хф (г) =1 X X , (4.1.1)

^ г-а < ^ < г+а

где хг - г -й отсчет (значение параметра, зарегистрированное в момент ); N -количество отсчетов в интервале времени от г - А до г + А; А - полуширина базы осреднения.

Действие цифрового фильтра на случайный процесс х(г) иллюстрирует рисунок 4.3. Измеряемая величина непрерывна, однако показания датчика снимаются лишь в дискретные моменты времени в виде отсчетов хг,

округленных при аналого-цифровом преобразовании. Из-за флуктуаций измеряемой величины, электрических помех и несовершенства измерительной системы отсчеты сильно различаются даже на сравнительно небольшом интервале времени, чередуясь случайным образом но, возможно, проявляя тенденцию к росту или снижению. Если предположить, что существует среднее, сравнительно медленно меняющееся значение, около которого параметр наиболее вероятно обнаружить в момент времени г , то для его нахождения необходимо проанализировать распределение отсчетов по уровням незадолго до этого и немного позже. Среднее арифметическое выбранных отсчетов стремится по вероятности к искомому значению, что и отражается в приведенной выше формуле.

База осреднения

- действительные значения параметра х(^)

♦ ♦ ♦ ♦ зарегистрированные значения (отсчеты) х{ - значения параметра после фильтрации Хф )

Рисунок 4.3 - Иллюстрация действия цифрового фильтра

Ширина базы осреднения 2Л равна максимальному периоду отфильтровываемых колебаний. В данном исследовании представляют интерес изменения тока СБ, период которых не короче десятков секунд, поэтому база осреднения была принята равной 10 с.

Кроме сглаживания частых, типовых флуктуаций необходимо отфильтровать и сравнительно редкие, но значительные по величине выбросы измеряемого параметра. Подобные пульсации определяются по тому, что их отклонение от среднего значительно превышает среднеквадратичное отклонение (с. к. о.) на базе осреднения. Например, если отсчет отстоит от среднего более, чем на три с. к. о. выборки, отсчет отбраковывается. После очистки выборки от подобных, нетипичных отсчетов, ее среднее значение определяется повторно и используется для дальнейшего анализа.

Пример графика телеметрического параметра, построенного после описанной цифровой фильтрации, показан на рисунке 4.4.

1сб, A 100

0

0

30

60

Показания ТМ датчика:

непосредственные;

после цифровой фильтрации

г, мин

Рисунок 4.4 - Показания телеметрического датчика: непосредственные и после

применения цифрового фильтра

В показаниях датчиков тока, как правило, присутствует практически постоянная составляющая, из-за которой, к примеру, сигнал датчика тока СБ не равен нулю во время полета МКС в тени Земли, когда фототок заведомо отсутствует (см. рисунок 4.4). Это свидетельствует о необходимости тарировки показаний датчиков - увеличении или уменьшении их значений на некоторую постоянную величину. Как показывает анализ ТМИ СМ, показания датчика

ТСА при использовании должны быть уменьшены на 6,3±0'3 А, датчика ТСБ -на 5,6±0'2 А.

Каждый телеметрический параметр обычно регистрируется несколькими резервирующими друг друга датчиками, сравнение показаний которых позволяет оценить погрешность измерения. Например, параметры электрического тока солнечных батарей СМ - ТСА и ТСБ - изменяются практически синхронно, но первый показывает стабильно более высокое значение (рисунок 4.5).

1сб, А 300

200

100

ЛЙ уА ТСА

|\ /

У / \ \

( ТСБ

0

30

60

t, мин

Рисунок 4.5 - Показания резервирующих друг друга датчиков

Связь между параметрами ТСА и ТСБ не линейна: до величины примерно 150 А они почти совпадают, а при более высоких расходятся (рисунок 4.6). Сравнительный график выглядит идентично на других витках: повторяются как общая тенденция, как и мелкие изгибы кривой. Общее расхождение свидетельствует о том, что датчики имеют индивидуальные особенности или эксплуатируются в непохожих, хотя и стабильных условиях, из-за чего возникают глобальные искажения шкалы измерений. Мелкие изгибы кривой связаны, вероятнее всего, с ошибкой округления при аналого-цифровом преобразовании. Точки графика, расположенные далеко от общего массива, от витка к витку не повторяются и демонстрируют наличие пульсаций, не устраненных цифровой фильтрацией или регистрируемых лишь одним из датчиков.

/СБ,

300

200

100

0 100 200 300

/сб, A (ТСБ)

Рисунок 4.6 - Сравнение показаний резервирующих друг друга датчиков тока

СБ

Установить точно, показания какого из двух датчиков тока СБ ближе к истинному, без специального измерительного оборудования не представляется возможным. До этого можно говорить лишь о том, что реальное значение измеряемой величины с большой вероятностью находится в интервале, перекрывающем измеренные значения.

Телеметрическая информация СМ, как правило, не полна: из-за ограничений сети наземных приемно-регистрирующих станций в некоторые интервалы времени ТМИ не была получена (см. рисунок 4.2). В представленной работе проблема была решена за счет того, что интересующие параметры в значительной степени определяются углом склонения Солнца Д, который мало отличается от витка к витку. Благодаря этому графики на соседних витках должны быть близки, и по их совокупности можно воссоздать полную картину изменения параметра.

С указанной целью для каждого расчетного угла Драсч было выбрано несколько витков (от 10 до 16) с углом Солнца Д, близким к расчетному:

A (ТСА)

рi - Драсч < 1,0°, при этом среднее значение угла Дср отличается от Драсч не

более, чем на 0,5°. Для каждого витка были построены графики параметра, именуемые далее частными или фрагментарными, а затем их поточечным сложением и осреднением построены полные графики (рисунок 4.7).

/сб, A 300

200

Графики фрагментарные

0

30

60

г, мин

Рисунок 4.7 - Полный и фрагментарные графики ТМ параметра

На рисунке 4.7 видно, что фрагментарные графики располагаются около полного, отклоняясь от него случайным образом. Отклонения ограничены по амплитуде и меняются сравнительно медленно. Объяснить такое можно следующим образом:

- от витка к витку пусть незначительно, но меняется угол Д, из-за чего меняется ракурс освещения МКС, а, следовательно, и форма тени на батареях СМ;

- ракурс освещения МКС меняется вследствие неидеальности стабилизации МКС в заданной ориентации;

- не идентичны в полной мере положения подвижных элементов конструкции МКС;

- имеется засветка СБ от подстилающей поверхности Земли.

Флуктуации, обусловленные первыми тремя факторами, должны

обнаруживаться, в первую очередь, в моменты частичного затенения батарей, то есть там, где график имеет значительные «провалы». В периоды максимальной или близкой к максимальной мощности, когда батареи полностью освещены, указанные флуктуации наблюдаться практически не должны. В отличие от них засветка СБ от подстилающей поверхности Земли должна проявляться практически в течение всего полета над освещенной стороной планеты, но особенно в момент, когда Солнце находится в кульминации.

Из этого следует, что в примере, показанном на рисунке 4.7, флуктуации более всего обусловлены засветкой СБ. Этот фактор существенно повышает производительность СБ служебного модуля, поскольку батареи СМ вырабатывают электричество и при освещении их обратной стороны. Таким образом, мощность СБ СМ заметно зависит от светоотражающей способности (альбедо) подстилающей поверхности, то есть от характера ландшафта и, особенно, от наличия облаков. Орбита МКС не является геосинхронной и на каждом витке пролегает над новой местностью, поэтому альбедо и, соответственно, прибавка тока ведут себя как случайные величины. Очевидно, прибавка тока, вызванная засветкой, должна быть величиной ограниченной и достигать своего максимума ближе к середине освещенного участка орбиты, а по мере удаления от него убывать, сходя к минимуму в точках выхода или захода МКС в тень Земли. Всему описанному соответствуют графики на рисунке 4.7.

Наличие прибавки тока СБ СМ, обусловленной отражением света Землей, подтверждается специальными исследованиями [52, 53].

По совокупностям экспериментальных графиков для витков с близкими углами Р были найдены как средние значения параметров, так и границы вероятных значений (рисунок 4.8).

/сб, А 300

200

100

1 тах

*

1 сп

тт

30

60

t, мин

Рисунок 4.8 - Графики среднего (1ср), максимального (1 тах) и минимального

(I шп) значений тока СБ

Если основной причиной флуктуаций является засветка СБ от подстилающей поверхности планеты, то графики 1т{п и /тах имеют

следующий смысл. Когда траектория КА пролегает преимущественно над безоблачными местами с темным ландшафтом или акваторией, реальный график тока СБ должен быть близок к /т1п. Напротив, если вдоль трассы, в основном, плотные облака, график тока должен приближаться к 1 г

тах

4.1.3 Расчетная модель

Разработанная расчетная модель включает в себя геометрическую модель МКС (в том числе служебного модуля), геометрическую модель СБ СМ, ВАХ ФЭП и блокирующих диодов, схему группирования ФЭП СБ СМ в генераторы тока, параметры орбиты МКС, параметры ориентации МКС и ее подвижных элементов (радиаторов и СБ американского сегмента МКС). Геометрическая модель МКС представляет собой совокупность более тысячи геометрических фигур-примитивов - цилиндров, конусов, параллелограммов и многогранников, которыми с практически целесообразным упрощением представлены элементы МКС.

СБ служебного модуля РС МКС задаются в виде совокупности консолей, панелей и ФЭП с указанием взаимного расположения (рисунок 4.9). Также

0

указывается, каким образом ФЭП группируются в генераторы тока. Использованная в анализе модель отражает текущее состояние СБ СМ, в частности, то, что одна створка консоли СБ2 раскрыта частично, одна повреждена, а три полностью отказали [19].

в) I

561уре: pt4 671уре: р^ 681^ре: р12 691уре: 701уре: р!2 721уре: р±1 731уре: рП 74 ^ре:

571уре: р13 58\Л1 591^ре: рИ 601уре; рИ 611уре: ри 621уре: ри 631уре: р±1 641уре: рП 651уре: рП

|751дае: | |761уре: | | 771уре: | | 781^ре: | | 791уре: | | 80 ^ре: |

■га ^ре: р13 491уре: рИ 501уре: рИ 511уре: ри 521уре: ри 531уре: ри 541уре: р±1 551уре:рП 561уре: рП

391уре: pt4 401уре: р^ 411уре: р!2 421уре: р!2 431уре: р12 44type¡ ptl 451уре;р±1 461уре; ptl 471уре; ptl

Рисунок 4.9 - Геометрическая модель СБ служебного модуля РС МКС: а -модель СБ в составе геометрической модели СМ; б - одна из панелей СБ с указанием раскладки ФЭП и их группирования в генераторы тока; в - модель

консоли СБ

4.1.4 Сравнительный анализ моментального тока солнечной батареи

На рисунках 4.10-4.13 показаны расчетные и экспериментальные графики моментального тока СБ служебного модуля РС МКС для различных значений расчетного угла склонения Солнца. На рисунке 4.10 приведены графики для Драсч = 0°, а на рисунке 4.11 - показания датчиков температуры СБ СМ для

этих же витков.

Эксперимент (диапазон возможных значений) Расчет

Рисунок 4.10 - Моментальный ток СБ СМ при /расч = 0°

Т, °С 100

50

0

-50 0

3 = 0

+1

30

60

t, мин

о

Рисунок 4.11 - Показания датчиков температуры солнечных батарей СМ при / = 0+1 °: Т1, Т2 - на консоли СБ2; Т3, Т4 - на консоли СБ4 (датчик Т4 не

исправен)

Действительные значения тока (см. рисунок 4.10) представлены тремя графиками, соответствующими различному альбедо подстилающей поверхности Земли: минимальной, максимальной и средней, наиболее вероятной. Расчетный и экспериментальные графики, в целом, повторяют друг друга. Стоит обратить внимание на следующие детали:

1. Значительный спад силы тока 1 связан с затенением СБ СМ обитаемыми модулями и ферменной конструкцией АС МКС. При выходе МКС из тени Земли Солнце наблюдается в направлении полета станции, и некоторое время освещает СБ СМ из-под модулей АС. По мере восхода над горизонтом

оно на время скрывается за американским сегментом (см. рисунок 4.1).

2. Пониженный ток вдоль штриховой линии 2 на рисунке 4.10 связан с частичным затенением СБ СМ радиаторами американского сегмента МКС. Ток повышается по мере выхода СБ из их тени, но на расчетном графике в это время образуется «зубец» 3, обусловленный упрощением геометрической модели радиаторов.

3. Наличие засветки СБ подстилающей поверхностью Земли приводит к повышению действительного тока, особенно в средней части графика, центр которого примерно соответствует прохождению Солнца через зенит.

4. На расчетном графике имеется почти горизонтальный участок, соответствующий периоду, когда СБ СМ полностью освещены. Однако фактически ток при этом постепенно снижается (вдоль штриховой линии 4), что связано с ослаблением засветки от подстилающей поверхности. Предположение о том, что уменьшение тока в это время происходит из-за повышения температуры ФЭП, не подтверждается: как показывают температурные датчики, установленные на СБ СМ, температура в это время или почти стабилизирована около своего максимума, или снижается (см. рисунок 4.11).

5. На среднем экспериментальном графике рисунка 4.10 можно проследить волнообразные колебания небольшой амплитуды, соответствующие колебаниям 5 на графике расчетном. Они возникают из-за того, что СБ СМ поворачиваются вслед за Солнцем не равномерно, а дискретно, при переходе светила из одного сектора небосвода в другой.

На графиках силы тока СБ при Драсч = 30° перечисленные факторы также

проявляются (рисунок 4.12). Кроме того, здесь, как по расчетным, так и телеметрическим данным наблюдается заметное снижение тока за 5-10 минут до захода МКС в тень Земли (поз. 1 на рисунке 4.12). Объясняется это тем, что заходящее Солнце освещает станцию со стороны российского сегмента, и прежде чем уйти за горизонт, пересекает горизонтальную плоскость СМ в 15 градусах от продольной оси. Корпус модуля при этом отбрасывает тень на одну

из консолей СБ (см. рисунок 4.1).

/се, А 300

В = 30е

/^расч ^^

Л

7 > 1

к V / / У I

V/ 1 у /

а

200 100

0 30 60 Г, мин ^^ Эксперимент (диапазон возможных значений) - Расчет

Рисунок 4.12 - Моментальный ток СБ СМ при Врасч = 30о

При Врасч = 60О обращает на себя внимание существенное различие

расчетной и экспериментальной силы тока в левой и средней частях графика 1 и 2 (рисунок 4.13). Связано это с невозможностью точно предсказать ориентацию затеняющих элементов МКС (солнечных батарей и радиаторов американского сегмента), так как их положение зависит от текущей потребности МКС в электроэнергии. Алгоритм ПО основан на предположении, что СБ АС МКС всегда повернуты нормалью на Солнце. На практике, когда энергоприход превышает текущую потребность, что особенно вероятно при больших значениях угла В, часть панелей СБ АС поворачиваются к Солнцу ребром для снижения деградации. За счет этого открывается поток света на другие элементы станции, в том числе на СБ служебного модуля.

/сб, A 300

200 100

Ррасч = 60е

Л п

Л' / К

# # Р! \ ч 2

1 г

0 30 60 г, мин ^^ Эксперимент (диапазон возможных значений) - Расчет

Рисунок 4.13 - Моментальный ток СБ СМ при Ррасч = бое

4.1.5 Сравнительный анализ интеграла тока солнечной батареи

На рисунке 4.14 показаны расчетные и экспериментальные графики интеграла тока СБ служебного модуля РС МКС для угла склонения Солнца Ррасч = 0е. В качестве экспериментальных данных использованы показания

телеметрических датчиков - интеграторов тока. На рисунке 4.14 (а) приведены графики, полученные для серии из 10 последовательных витков, для которых Р = +1,5е. Интеграл тока аналогично току моментальному ведет себя как сумма некоторой периодической функции времени и случайной составляющей. Можно построить график средних значений /ср, около которого флуктуируют

графики интеграла тока (рисунок 4.14, б). Видно, что отклонения носят накопительный характер. Для серии графиков можно также построить графики максимальных и минимальных значений, соответствующие разным случаям альбедо подстилающей поверхности Земли (рисунок 4.14, б). Для сравнения с результатами применения ПО на рисунок 4.14 (б) отложен график расчетного интеграла тока.

0СБ, Ач а)

200

100 0

200 100 0

0 30 60 мин

Рисунок 4.14 - Интеграл тока СБ СМ при Ррасч = 0°: а) серия

экспериментальных графиков; б) диапазон экспериментальных значений и

расчетные значения тока.

Таким образом, сравнение результатов расчета мощности СБ служебного модуля РС МКС с телеметрическими данными подтверждает адекватность расчетной методики, а также корректность разработанного на ее основе специального ПО. Экспериментальные и расчетные графики моментального тока СБ СМ в целом, повторяют друг друга. На графиках прослеживаются характерные изменения мощности, вызванные затенением СБ и неточностью ориентации на Солнце. Имеются локальные расхождения, обусловленные неизбежным упрощением расчетной модели МКС, связанная с этим погрешность расчета средневитковой мощности СБ СМ с помощью ПО не превышает ±10 %.

Предлагаемая методика и, соответственно, ПО не учитывают потока света, отраженного планетой. Телеметрические данные показывают, что моментальный прирост тока СБ СМ, создаваемый засветкой от подстилающей поверхности Земли, может достигать 10-15 % абсолютной величины. Прибавка к среднесуточной производительности СБ СМ, соответственно, может достигать 10 % в зависимости от угла склонения Солнца. Учет засветки СБ отраженным светом планеты желателен в двух случаях: 1) если батареи

вырабатывают ток при освещении обратной стороны; 2) если КА совершает орбитальный полет на сравнительно малой высоте над планетой, альбедо поверхности которой соизмеримо с альбедо Земли.

Предложенная методика и разработанное на ее основе ПО не учитывают изменения электрических параметров ФЭП при нагреве. При расчете указанные параметры полагаются постоянными, соответствующими некоторой заданной температуре. Это оправдано в случае, если напряжение, при котором эксплуатируются ФЭП, заметно меньше оптимального.

При больших углах склонения Солнца экспериментальное значение моментального тока СБ СМ в отдельные, относительно короткие периоды времени больше расчетного, что связано с отсутствием предполагаемого затенеия от СБ и радиаторов американского сегмента МКС (их положение зависит, в том числе, от текущей потребности станции в электроэнергии). Соответствующая погрешность расчета средневитковой мощности СБ СМ с помощью ПО составляет от 0 до 10 % в сторону занижения результата в зависимости от угла склонения Солнца.

4.2 Экспериментальное исследование влияния температуры

на мощность солнечной батареи на примере солнечной батареи

корабля «Прогресс МС»

4.2.1 Предмет и методика исследования

Методика расчета электрической мощности СБ, описанная в разделе 2.1, не учитывает изменений электрических параметров ФЭП при нагреве. Вольтамперные характеристики преобразователей полагаются статичными, соответствующими некоторой заданной температуре. В разделе 2.5 приведено обоснование такого допущения, сделанное путем анализа ВАХ ФЭП. Но экспериментальное подтверждение оказалось невозможным получить из телеметрических данных служебного модуля РС МКС, использованных при верификации расчетной методики (раздел 4.1). На силу тока СБ модуля одновременно влияют еще несколько факторов - частичное затенение, подсветка подстилающей поверхностью Земли и неравномерность вращения

батарей. В случае СМ от них практически невозможно отстраниться ни стабилизацией воздействия, ни математической фильтрацией данных.

В связи с этим выполнено дополнительное экспериментальное исследование с использованием грузового космического корабля «Прогресс МС». В длительном автономном полете корабль обычно находится в режиме так называемой закрутки, когда вращается вокруг собственного центра масс, а его СБ постоянно ориентированы на Солнце и не испытывают затенения другими элементами. После выхода корабля из тени Земли на батареях довольно быстро устанавливается практически максимальная освещенность, однако их температура продолжает расти еще в течение 10-15 минут и, прежде чем стабилизироваться, повышается более чем на 100 °С. Приведенный далее анализ ТМИ корабля «Прогресс МС-07» показал, что температура СБ влияет на силу генерируемого тока, причем по-разному в зависимости от режима работы СЭП, подтверждая выводы, сделанные в разделе 2.5.

Рисунок 4.15 - Графики тока СБ (параметр ТС1) и температуры (параметр Т174): расчетные и по результатам ТМИ.

На рисунке 4.15 представлены графики тока и температуры СБ корабля, построенные на основании телеметрических данных, записанных на витках

№№ 2712 и 2722. Полученные графики типичны за исключением случайных, ограниченных по амплитуде отклонений. Графики тока соответствуют двум различным режимам работы СЭП: в одном включены обе секции СБ - основная СБ1 и дополнительная СБ2, а во втором включена только СБ1.

4.2.2 Принцип работы системы электропитания корабля

«Прогресс МС»

В СЭП кораблей «Прогресс МС» напряжение на шине питания поддерживается в допустимом интервале без специальных регуляторов, за счет естественного баланса тока и напряжения системы солнечных батарей, буферных аккумуляторных батарей (ББ) и потребителей тока. Процесс установления сбалансированного напряжения между СБ и аккумуляторами иллюстрирует рисунок 4.16, где изображены совместно ВАХ СБ и кривая заряда ББ. Солнечная батарея, буферные аккумуляторы и нагрузка подключены к шине питания параллельно.

ВАХ СБ (включены

Рисунок 4.16 - Иллюстрация принципа работы СЭП без регулятора: ипит -напряжение на шине питания; ихх - напряжение холостого хода СБ; имм -напряжение максимальной мощности СБ; изар - напряжение заряда

аккумулятора максимальное; IСБ - сила тока СБ; Iкз - ток короткого замыкания СБ; С - уровень заряда ББ

СБ корабля «Прогресс МС» состоят из двух последовательно соединенных секций: основной СБ1 и дополнительной СБ2. Вторая может отключаться автоматически или по команде. В зависимости от того, работает СБ2 или нет, реализуется одна из ВАХ, изображенных на рисунке 4.16.

Рассмотрим сначала случай, когда функционирует только секция СБ1: этот режим используется для питания сравнительно небольшой, дежурной нагрузки. В ходе заряда аккумуляторов перед достижением полного заряда напряжение, как правило, почти стабилизируется на некотором уровне, обозначенном на рисунке 4.16 изар. В СЭП корабля «Прогресс МС» количество

ФЭП в генераторах тока секции СБ1 подобрано с таким расчетом, что

имм ~ изар < ихх, (0.1)

где имм - напряжение СБ1, при котором достигается максимальная мощность; ихх - напряжение холостого хода СБ1.

Благодаря этому рабочая точка СБ (точка А на рисунке 4.16) находится на скате ВАХ, где сравнительно малому изменению напряжения соответствует большое изменение силы тока, причем противоположное по знаку. Даже небольшое снижение напряжения на шине питания из-за роста нагрузки или разряда аккумуляторов вызывает смещение рабочей точки влево по кривой ВАХ, и ток СБ значительно увеличивается. И наоборот, если ББ практически заряжены, а нагрузка минимальна, напряжение на шине возрастает, приближаясь к ихх, и ток СБ снижается настолько, насколько необходимо для питания нагрузки и компенсации саморазряда ББ. Таким образом, за счет характерной нелинейной формы ВАХ напряжение на шине питания СЭП находится в допустимом интервале, а буферные батареи поддерживаются в заряженном состоянии.

Если нагрузка становится выше некоторого предела или аккумуляторы требуют интенсивной зарядки, приборы СЭП автоматически подключают дополнительную секцию солнечных батарей СБ2 последовательно основной

СБ1. За счет этого ВАХ СБ в целом видоизменяется (преобразуется в штрихпунктирную кривую на рисунке 4.16), а новой рабочей точке (точке В) соответствует ток, близкий к максимальному: /сБ «/кз.

В режимах с включенной и выключенной дополнительной секцией СБ2 ток СБ корабля «Прогресс МС» реагирует на изменение температуры по-разному. Если секция СБ2 выключена, рост температуры приводит к значительному снижению тока. При включенной СБ2 ток СБ практически не зависит от колебаний температуры. Рисунок 4.17 иллюстрирует данную закономерность.

Секции СБ1, СБ2

Т

Т + ДТ

Секция СБ1

ВАХ СБ

1сБ 1кз

0

Рисунок 4.17 - Влияние изменения температуры на ток СБ корабля «Прогресс МС» при включенной и выключенной секции СБ2

На рисунке 4.17 видно, что увеличение температуры СБ на величину ДТ вызывает смещение ВАХ СБ вдоль оси и вниз. Если напряжение на шине питания перед этим установилось на уровне ипит, то с повышением температуры рабочая точка смещается вправо и ток СБ уменьшается на величину Д/, зависящую от наклона ВАХ в месте расположения точки. Когда задействована только секция СБ1, рабочая точка находится на наклонном

участке ВАХ и падение тока значительно. Если СБ включена полностью, рабочая точка находится на вертикальном участке ВАХ и до некоторого значения температуры ток практически стабилен.

Среди потребителей тока в составе корабля есть имеющие линейную или близкую к линейной вольтамперную характеристику, например, электронагреватели. Поэтому с понижением протекающего тока уменьшается напряжение на нагрузке, а значит, и напряжение на шине питания. Таким образом, рост температуры СБ вызывает не только смещение ВАХ, но и некоторое уменьшение ипит. Графически это значит, что горизонталь БА на рисунке 4.17 тоже смещается вниз, хотя и в меньшей степени, чем ВАХ. Следовательно, фактическое снижение силы тока СБ А/ должно быть несколько меньше, чем вычисленное в соответствии с рисунком 4.17.

4.2.3 Анализ телеметрии корабля «Прогресс МС-07» при

выключенной секции СБ2 солнечной батареи

Анализ ТМИ корабля «Прогресс МС-07» подтверждает сделанные в подразделе 2.5 выводы о влиянии температуры на ток СБ. На рисунке 4.18 представлены графики показаний ТМ датчиков - тока СБ, тока нагрузки, температуры СБ, напряжения на шине питания и напряжения на буферном аккумуляторе в течение освещенной части витка № 2722, выполненного 07.04.2018. Секция СБ2 при этом была выключена.

Секция СБ2 выключена

Рисунок 4.18 - Значения ТМ параметров корабля «Прогресс МС-07» при выключенной секции СБ2 (данные ТМИ от 07.04.2018, виток 2722): Т174-Т177 - показания температурных датчиков СБ.

На шкалах времени рисунка 4.18 ^ = 0 соответствует моменту выхода корабля из тени Земли. В течение примерно 0,5 мин после этого ток СБ возрастает от нуля почти до максимума - 26,5 А. Освещенность СБ, первоначально ослабленная атмосферой, увеличивается (при отсутствии атмосферы рост тока происходил бы быстрее, но тоже не мгновенно, а в течение не менее 7,5 с, поскольку Солнце имеет ненулевой угловой размер). В момент выхода корабля из тени Земли показания датчиков температуры Т174-

Т177 минимальны и составляют от минус 58 до минус 72 °С, и за первые полминуты возрастают на 5-7 °С. Поскольку в действие вступают СБ -источник тока с наибольшей ЭДС, напряжение на шине питания поднимается с 30,4 до 33,1 В, а благодаря наличию в нагрузке компонентов с линейной ВАХ ток нагрузки увеличивается с 8,5 до 9,0 А. Разность напряжений на шине питания и на буферной батарее меняет знак, что свидетельствует о переходе ББ из режима разряда в режим заряда. Указанная разность равна падению напряжения на элементах зарядно-разрядного устройства (ЗРУ), и ее знак зависит от направления тока.

В течение примерно двух последующих минут (г = 0,5...2,5мин) температура на датчиках СБ возрастает почти на 60 °С и оказывается в интервале от минус 25 до минус 40 °С. В то же время ток СБ не только не уменьшается, а даже наоборот, немного увеличивается - примерно на 0,7 А. Это объясняется ростом подсветки СБ от подстилающей поверхности Земли: корабль приближается к линии терминатора, и доля освещенной подстилающей поверхности увеличивается, причем в той стороне горизонта, куда обращена СБ. В то же время ФЭП СБ еще достаточно холодны и рабочая точка ВАХ находится на ровном участке кривой, где генерируемый ток почти равен току КЗ.

Далее начинается интервал времени, наиболее ярко демонстрирующий температурный эффект: г = 2,5... 20 мин. В течение него температура,

регистрируемая датчиками Т144-Т147, повышается на 80 °С и почти стабилизируется на уровне 42...55 °С. За то же время ток СБ падает с 27,2 до 14,8 А. Напряжение на шине питания уменьшается, но незначительно - от 33,4 до 32,6 В, так как его поддерживают буферные батареи. Благодаря стабильности напряжения на шине питания ток нагрузки тоже стабилен, а снижение мощности СБ отражается практически только на зарядном токе ББ.

В интервале г = 20 ...56 мин, когда температура почти стабилизировалась, температурные параметры и ток СБ испытывают флуктуации трех видов: медленно меняющиеся, случайные быстро меняющиеся и скачкообразые. В результате медленных изменений температура повышается к середине

интервала примерно на 5 °С, а затем снижается обратно. Это объясняется усилением нагрева СБ подстилающей поверхностью Земли - как отраженным светом Солнца, так и тепловым излучением планеты. Нагрев наиболее интенсивен в середине освещенного участка орбиты, при г = 28,5 мин, когда нормаль СБ ближе к местной вертикали, а Солнце находится в кульминации. Заметно, что температура достигает максимума на 10-12 мин позднее, это объясняется тепловой инертностью датчиков и элементов СБ, к которым они прикреплены. На фоне медленных изменений температуры присутствуют быстрые, случайные изменения с амплитудой примерно 1 °С, которые, полагаясь на результаты анализа ТМИ СМ, можно объяснить неравномерным, случайным характером альбедо подстилающей поверхности и теплового излучения Земли.

Общая тенденция изменения тока СБ при г = 20...56мин такова: ток постепенно снижается с 14,8 до 13,0 А, а затем возвращается к прежнему значению. Максимальная амплитуда случайных колебаний составляет 2... 3 А. В моменты г = 28,5 мин и г = 43,7 мин происходят резкие скачки тока примерно на 1 А вверх и вниз соответственно, что точно совпадает по времени с моментами включения и выключения дополнительной нагрузки: ее ток увеличивается с 9,0 до 10,2 А, после чего возвращается к прежнему значению. Напряжение на шине питания, соответственно, уменьшается на 0,7...0,8 В, а затем на столько же увеличивается.

Тенденция изменения тока СБ в период г = 20 ...56 мин направлена навстречу медленным изменениям температуры, что находится в полном соответствии с описанным выше свойством СЭП. Однако случайные колебания не обнаруживают явной взаимосвязи. Это объяснимо, во-первых, тем, что отклонения тока обусловлены не только флуктуациями температуры, но и меняющим альбедо подстилающей поверхности. При этом нагрев СБ происходит как за счет отраженного солнечного света, так и собственного теплового излучения Земли. Оба фактора можно считать случайными, причем с отрицательной корреляцией: увеличение альбедо, как правило, сопровождается уменьшением теплового потока.